浅析降雨对路基含水量分布影响

中图分类号：TU74文献标识码： A 文章编号：

摘要：本文结合室内试验及数值模拟，重点针对毛细水上升及降雨入渗规律进行分析，并研究了不同降雨条件下路基含水量的分布情况，有利于路基加固措施的设计与实施。

关键词：降雨 粉土路基 含水量

Abstract: in this paper, indoor experiment and numerical simulation, focusing on the capillary water rise and rainfall infiltration was analyzed, and the effects of different rainfall condition subgrade moisture content distribution, is helpful for the design and implementation of subgrade reinforcement measures.

Key words: rainfall silty soil subgrade moisture content

0 引言

路基在运营过程中，长期经受雨水的冲刷、地下水的侵蚀及侧向水的入渗等多方面因素的影响，路基含水量经常发生变化。特别是，持续一定时间的强降雨入渗能在路基上部的一定范围内形成饱和区，给公路路基带来很大的破坏性，大量雨水通过边坡、绿化带或路面裂缝渗透进入路基内部，使路基土体强度降低，同时产生一定时期的渗流力，强度降低和渗流力两者的共同作用使路基的稳定性降低，产生破坏和滑坡。大量现场调查表明，黄河冲积粉土由于具有难压实、水稳定性差、易冲刷、强度低等特点，受周围水环境的影响更为显著，在通车不长的时间内（一般3~5a），即出现了路基侧滑、路面开裂等严重病害，极大的影响了行车的舒适度和安全性。这除与一定的超载超限因素有关外，更与粉土路基易吸水而造成的强度不足密切相关。因此，本文结合室内试验及数值模拟，重点针对毛细水上升及降雨入渗规律进行分析，并研究了不同降雨条件下路基含水量的分布情况，有利于路基加固措施的设计与实施。

1 粉土路基吸水特性试验研究

1.1 压实粉土的降雨渗透试验

（1）试验方法

①制备最优含水量条件下的击实件。②用切土器切取5个圆柱形试样，试样高80mm，装入饱和器中，上下用透水石盖住，保持顶部为常水头模拟降雨渗透，渗透时间为4、8、16、24、48h。③达到规定时间后，自上而下分6部分切取土样，测其含水率。

（2）试验结果

由图1（a）可知，随着降雨渗透时间的延长，土样顶部水分逐渐渗透到土样内部，至48小时，顶部已处于饱和状态。由图1（b）可知，降雨初期，土样顶部含水量影响较大，表现为渗透速度快、含水量高；如果持续发生降雨，则土体内部一定深度范围内的含水量也会逐渐增大，表现为前8小时含水量变化较小，8~16小时含水量增长较快，16~48小时增长速率略趋缓。

（a）整个试样高度范围内含水量变化规律 （b）含水量随时间变化规律

图1 不同渗透时间时击实件内部含水量的变化

注：图中编号1~6为试件自上而下的取土位置，下同。

1.2 击实粉土毛细水上升试验

试样制备方法同渗透试验。试样制备好后，将饱和器底部放入水中，模拟毛细水上升试验，测试时间为4、8、16、24、48h。

（a）整个试样高度范围内含水量变化规律 （b）含水量随时间变化规律

图2 不同浸泡时间时击实件内部含水量变化

图2表明，压实粉土受毛细水上升的影响非常显著，至24小时即接近饱和状态。这表明，对于处于平原水网区的粉土路基，由于地下水位普遍偏高，即使路面结构完好无损，在强烈的毛细水上升作用下，低路基含水量也将偏高。

2 持续降雨条件下粉土路基含水量变化规律分析

黄河冲积粉土由于渗透系数大、毛细作用强烈，易遭受降雨入渗及地下水位变动的影响，但目前关于降雨入渗后的粉土路基含水量分布规律及边坡稳定性变化并未有相关研究成果。因此，为了对路基边坡稳定性进行合理评价以提出合理的控制措施，本节采用GEO-SLOPE中SEEP/W模块针对粉土路基在降雨条件下的含水量分布规律进行了模拟分析。

2.1计算模型的建立及边界条件的选取

采用国际通用的岩土工程分析软件Geo-Slope作为计算手段，取高速公路双向四车道作为研究对象，路基总宽27m。为了简化起见，取路基的半幅作为分析模型，并将其简化为平面应变模型，路基高度分别为4、8、12m，地基深度取20m。

降雨期，边界条件按如下方式选取：①假定路面为不透水边界，设为流量q为0；②地基底部边界及模型两侧竖直边界均视为无流量交换边界，取流量Q为零；③土路肩、中央分隔带、路基边坡坡面及天然地面根据降雨强度定义边界条件，当渗透系数大于降雨强度时，按全部入渗考虑；当渗透系数小于降雨强度时，按部分入渗考虑[2]。

2.2粉土路基渗流计算参数的选取

降雨入渗属非饱和非稳定渗流，涉及到非饱和土参数导水率及体积含水率参数的定义，参考Geo-Slope软件自带数据库，通过图例为渗流分析输入参数。

2.3计算工况

根据山东省实际降雨量分布情况，分别选取小雨、中雨、大雨、暴雨四种雨型，降雨强度及降雨历时如表1所示。

表1 计算所选雨型及降雨历时

2.4 降雨条件下粉土路基入渗规律

以大雨为例，分析降雨期间粉土路基内部的渗透梯度分布云图，与室内试验相类似，在整个降雨过程中，路基内部含水量的变化表现为四个阶段，即：

（1）第一阶段（0~6h）：浅层快速渗透阶段。降雨前，粉土路基内部含水量较低，基质吸力较大，渗透能力较强。因此，在较短的降雨时间内（约30min），路基边坡1m深度范围内土体的体积含水量即迅速增大，至6h时，该区域基本达饱和状态。同时，中央分隔带位置也有部分入渗。

（2）第二阶段（6~24h）：缓慢渗透阶段。经历第一阶段后，路基局部区域形成暂态饱和区，入渗能力明显降低，大部分雨水通过地表径流的方式排走。因此，自6~24h，坡体入渗深度仅增加了0.5m左右。

（3）第三阶段（24~48h）：深层快速渗透阶段。随着时间的延长，暂态饱和区逐渐消散，路基土体的入渗能力重新得到恢复，不仅表现在边坡的入渗深度明显增大，坡脚处的渗透区域也明显增大。整个路基边坡范围内含水量均明显增大，此时将引起路基边坡抗剪强度降低、坡脚软化、路基土体重度增大，对边坡安全非常不利，易引起路基的浅层滑坡。

（4）第四阶段（雨后24h）：继续渗透阶段。降雨结束后，尽管不再有雨水入渗，但路基内部仍将持续发生由高含水量向低含水量渗透的过程，路基深层区域含水量也将有所增大。

综合比较各种雨型，可提出如下分析结论：对于小雨及中雨，降雨基本全部入渗，地表径流不明显，主要表现为浅层入渗，入渗深度介于0.5~2m；对于暴雨，由于降雨强度大于入渗速率，路基含水量的变化特征与大雨基本相同，但表现出明显的冲刷特征，大部分雨水通过地表径流流走。

3 结论

（1）室内试验表明，粉土路基受地下水毛细作用及大气降雨入渗影响显著，随着时间的延长，路基含水量普遍偏高，会造成路基强度的衰减。

（2）降雨过程中，粉土路基入渗规律表现为四个阶段，即浅层快速入渗、缓慢入渗、深层快速入渗及雨后消散期，主要表现为路基边坡的侧向入渗显著，造成局部含水量增大，甚至处于饱和状态，对路基稳定性不利。